Кіріспе

Физикада тұрақты толқын, сонымен қатар стационарлық толқын деп аталады, бұл уақыт бойынша тербелетін, бірақ амплитудалық профилі кеңістікте жылжылмайтын толқын. Толқын тербелісінің кез келген нүктесіндегі ең жоғары амплитудасы уақытқа қатысты тұрақты болады, ал толқын бойындағы әртүрлі нүктелердегі тербелістер фазада болады. Амплитуданың абсолюттік шамасы ең төмен болатын жерлер түйіндер деп аталады, ал амплитуданың абсолюттік шамасы ең жоғары болатын жерлер антинодтар деп аталады. Тұрақты толқындарды алғаш рет 1831 жылы Майкл Фарадей ғылыми тұрғыдан сипаттаған. Фарадей тербелістегі сұйықтықтың бетінде тұрақты толқындарды байқаған. Франц Мельде 1860 жылдары "тұрақты толқын" (немісше: stehende Welle немесе Stehwelle) терминін енгізіп, бұл құбылысты өзінің классикалық тербелістегі ішектермен жасаған тәжірибесінде көрсеткен. Бұл құбылыс орта толқынның қозғалысына қарама-қарсы бағытта қозғалғандықтан немесе екі толқынның қарама-қарсы бағытта қозғалуының нәтижесінде тұрақты ортада пайда болуы мүмкін. Тұрақты толқындардың ең көп кездесетін себебі – резонанс құбылысы, онда резонатордың ішінде резонатордың резонанстық жиілігінде алға-артқа шағылысқан толқындардың арасындағы интерференция нәтижесінде тұрақты толқындар пайда болады. Бірдей амплитудалы және қарама-қарсы бағытта қозғалатын толқындар үшін энергияның жалпы таралуы орташа есеппен болмайды.

Жылжымалы орта

Бірінші түрдің мысалы ретінде, белгілі бір метеорологиялық жағдайларда тау жоталарының кейін жағында атмосферада тұрақтанған толқындар пайда болады. Мұндай толқындарды көбінесе жолсерпіншілер (глайдер) пилоттары пайдаланады. Тұрақтанған толқындар және гидравликалық секірулер жылдам ағып жатқан өзендердің тасқын толағайларында және Салтстраумен бұрқасыны сияқты күшті тасқын ағымдарында да қалыптасады. Өзен ағынында мұның болуы үшін, судың инерциясы гравитациясын жеңіп шығатын, шалшық тереңдігі бар ағын су қажет (Фруде саны: 1.7 – 4.5, 4.5-тен асып кетсе тікелей тұрақтанған толқын пайда болады), сондықтан ол кедергіге едәуір бәсеңдемейді де, жаққа итерілмейді. Көптеген тұрақтанған өзен толқындары танымал өзен серфингіне арналған орындар болып табылады.

Математикалық сипаттама

Бұл бөлімде тұрақтанған толқындардың бір және екі өлшемді жағдайлары қарастырылады. Біріншіден, шексіз ұзындығы бар жіптің мысалы, қарама-қарсы бағытта жылжыған бірдей толқындардың араласып, тұрақтанған толқындарды қалай тудыратынын көрсетеді. Содан кейін, әртүрлі шекаралық шарттары бар екі шекті ұзындықтағы жіп мысалдары, шекаралық шарттардың тұрақтанған толқындарды құрай алатын жиіліктерді қалай шектейтінін көрсетеді. Келесісінде, құбырдағы дыбыс толқындарының мысалы, осы принциптерді ұзындық толқындарына, ұқсас шекаралық шарттармен қалай қолдануға болатынын көрсетеді. Тұрақтанған толқындар екі немесе үш өлшемді резонаторларда да пайда болуы мүмкін. Жоғарыдағы анимацияда көрсетілген барабан табақтары сияқты екі өлшемді мембраналардағы тұрақтанған толқындарда түйіндер түйіндік сызықтарға айналады – бұл бетте қозғалыс жоқ сызықтар, олар қарама-қарсы фазада дірілдейтін аймақтарды бөледі. Бұл түйіндік сызықтардың пішіндері Хладни фигуралары деп аталады. Үш өлшемді резонаторларда, мысалы, музыкалық аспаптардың резонаторлық қораптарында және микротолқынды қуыс резонаторларда түйіндік беттер болады. Бұл бөлімдегі екі өлшемді тұрақ толқын мысалы, түйреуіштің тіктөртбұрышты шекарасымен берілген, осы ұғымды жоғары өлшемдерге қалай кеңейтуге болатынын көрсетуге арналған.

Тұрақты толқынның қатынасы, фазасы және энергияның берілуі

Егер екі қарама-қарсы қозғалатын қозғалыс толқындары бірдей амплитудаға ие болмаса, олар тораптарда толығымен өшірілмейді, яғни толқындар 180° фазалық айырмаға ие нүктелерде, сондықтан тұрқыма толқынның амплитудасы тораптарда нөлге тең болмайды, тек минимумға жетеді. Тұрқыма толқын коэффициенті (SWR) – антинодтағы (максималды) амплитуданың түйіндегі (минималды) амплитудаға қатынасы. Таза тұрқыма толқынның SWR шексіз болады. Ол сонымен қатар кеңістіктегі кез келген нүктеде тұрақты фазаға ие болады (бірақ әр жарты циклда 180° инверсияға ұшырауы мүмкін). Шектелген, нөлдік емес SWR толқынның жартылай тұрқыма және жартылай қозғалысты екенін көрсетеді. Мұндай толқындар екі толқынның суперпозициясы түрінде жіктеледі: қозғалыс толқын компоненті және тұрқыма толқын компоненті. SWR-дың бірге тең болуы толқынның тұрқыма компоненті жоқ екенін білдіреді – ол таза қозғалыс толқыны, себебі амплитудалардың қатынасы 1-ге тең. Таза тұрқыма толқын энергияны көзден мақсатқа жеткізбейді. Дегенмен, толқын ортада жоғалтуларға ұшырауы мүмкін. Мұндай жоғалтулар шектелген SWR түрінде көрінеді, бұл жоғалтуларды өтеу үшін көзден шығатын қозғалыс толқын компонентін көрсетеді. SWR қазір шектелген болса да, энергия мақсатқа жетпеуі мүмкін, себебі қозғалыс компоненті тек жоғалтуларды өтеуге жұмсалады. Алайда, жоғалтусыз ортада шектелген SWR энергияның мақсатқа анық жеткенін білдіреді.

Мысалдар

Тұрақты толқындарды түсіну үшін қарапайым мысал – екі адамның секіру арқанының екі басын шайқауы. Егер олар бірдей үлгіде шайқаса, арқан жоғары-төмен қозғалатын, тұрақты үлгідегі толқындарды құрайды. Арқанда қозғалыссыз немесе аздап қозғалатын нүктелер (тораптар) және арқанның иілімі ең жоғары болатын нүктелер (антинодтар) пайда болады.

Акустикалық резонанс

Тұрақты толқындар, сондай-ақ, іс жүзіндегі орталарда, мысалы, жіптерде және ауа тіректерінде де байқалады. Ортамен қозғалатын кез келген толқындар соңына жеткенде кері шағылысады. Бұл эффект музыкалық аспаптарда ең жақсы көрінеді, онда дірілдейтін жіптің немесе ауа тірегінің табиғи жиілігінің әртүрлі еселігінде тұрақты толқын пайда болады, бұл гармоникаларды анықтауға мүмкіндік береді. Тұрақты толқындардың бекітілген ұштарында түйіндер, ал ашық ұштарында антитүйіндер пайда болады. Егер жіп тек бір ұшынан бекітілсе, тек тақ санмен нөмірленген гармоникалар ғана болады. Құбырдың ашық ұшындағы антитүйін, ауамен жанасуына байланысты ұштың дәл соңында орналаспайды, сондықтан оны дұрыс орналастыру үшін ұш түзетуі қолданылады. Жіптің тығыздығы гармоникалардың пайда болатын жиілігіне әсер етеді; тығыздық қанша жоғары болса, бірдей гармониканың тұрақты толқынын жасау үшін жиілік сонша төмен болуы керек.

Көрінетін жарық

Тұрақты толқындар оптикалық толқын жетектері мен оптикалық қуыстар сияқты оптикалық ортада да байқалады. Лазерлер Fabry–Pérot интерферометрі құрамына кіретін, бетпе-бет орналасқан айналар жұбы түріндегі оптикалық қуыстарды пайдаланады. Қуыстағы күшейткіш орта (мысалы, кристалл) когерентті түрде жарық шығарып, қуыста жарықтың тұрақты толқындарын тудырады. Жарықтың толқын ұзындығы өте қысқа (нанометрлер диапазонында, 10−9 м) болғандықтан, тұрақты толқындар микроскоптық өлшемде болады. Тұрақты жарық толқындарын қолданудың бір жолы – оптикалық жазықтықтарды пайдаланып, кішкентай қашықтықтарды өлшеу.

Рентген сәулелері

Рентген сәулелерінің араласуы рентген тұрақты толқынын (XSW) қалыптастыруы мүмкін. Рентген сәулелерінің өте қысқа толқын ұзындығы (1 нанометрден кем) болғандықтан, бұл құбылысты материалдар бетіндегі атомдық деңгейдегі оқиғаларды өлшеу үшін қолдануға болады. XSW рентген сәулесінің дерлік мінсіз бір кристалл бетінен дифракцияланған сәулемен немесе рентген айнасынан шағылысқан сәулемен араласатын аймақта пайда болады. Кристалл геометриясын немесе рентген сәулесінің толқын ұзындығын реттеу арқылы XSW кеңістікте жылжытылуы мүмкін, бұл бетке жақын атомдардан рентген флуоресценциясының немесе фотоэлектрондық шығымның өзгеруіне әкеледі. Бұл өзгеруді талдау арқылы нақты атомның түрін жатқан кристалл құрылымына немесе айна бетіне қатысты нақты анықтауға болады. XSW әдісі жартылай өткізгіштердегі қоспалардың атомдық деңгейдегі ерекшеліктерін, беттердегі атомдық және молекулалық сіңіруді, сондай-ақ катализде жүзеге асырылатын химиялық өзгерістерді анықтау үшін қолданылған.

Механикалық толқындар

Тұрақты толқындар резонанс арқылы қатты ортаға механикалық түрде енгізілуі мүмкін. Оңай түсінікті мысал – екі адамның секіру арқанының екі басын бірдей шайқауы. Егер олар синхронды шайқаса, арқан түйіндер мен антинодтардан тұрақты үлгі құрады және қозғалмайтын сияқты көрінеді, сондықтан оны тұрақты толқын деп атайды. Сол сияқты, консольдік сәулеге негізгі тербеліс беру арқылы оған тұрақты толқын орнатылуы мүмкін. Бұл жағдайда, сәуленің бос ұшы, сәуле бойындағы кез келген нүктеге қарағанда көлденең бағытта ең үлкен қашықтыққа қозғалады. Мұндай құрылғы талшықтың резонансы жиілігінің немесе фазасының өзгеруін қадағалау үшін сенсор ретінде қолданылуы мүмкін. Бір қолданылуы – өлшемді метрология үшін өлшеу құралы ретінде пайдалану.

Сейсмикалық толқындар

Жер бетіндегі тұрған толқындар Жердің еркін тербелістері ретінде байқалады.

Фарадей толқындары

Фарадей толқыны – сұйық пен ауаның арасындағы гидродинамикалық тұрақсыздықтан туындайтын сызықтық емес тұрақты толқын. Оны микродеңгейдегі материалдарды құрастыру үшін сұйық негіздегі үлгі ретінде қолдануға болады.

Сейшелер

Сейше – жабық су қоймасындағы тұрақталған толқынның мысалы. Ол су деңгейінің су қоймасының екі шетіндегі осцилляциялық қозғалысымен сипатталады және әдетте су деңгейінің өте аз өзгеретін, су қоймасының ортасына жақын орналасқан түйін нүктесіне ие. Оны тербеліс болмайтын қарапайым дауыл толқынынан ажырату қажет. Ірі көлдерде мұндай тербелістердің периоды минуттар мен сағаттар аралығында болуы мүмкін, мысалы, Женева көлінің бойлық периоды 73 минутты құрайды, ал көлденең сейшесінің периоды шамамен 10 минутты алса, Хюрон көлі 1 мен 2 сағат аралығындағы резонанстарды көрсетеді. Көл сейшелеріне қараңыз.